纳米TiO2的制备方法与掺杂改性研究

论文摘要

本研究以改良溶胶-凝胶法和有机溶剂水热结晶法制备纳米级的TiO2粒子，并通过金属离子的掺杂改性提高其光催化活性。对制备的纳米TiO2用XRD、TG／DTG／DSC、BET、SEM及TEM等手段进行了表征，以甲基橙的光降解效果评价其催化活性。首先，依据中心复合设计进行试验，探讨了改良溶胶-凝胶法制备TiO2的过程中醋酸配比、搅拌速率、反应时间及煅烧温度4因素对其光催化活性的影响，获得最佳的工艺参数为T=25℃，Stir=400rpm，TNB：EtOH：AcOH=1：4：4，t=6h。所得TiO2凝胶经500℃煅烧后为锐钛矿型（89％）和金红石型（11％）的混晶，粒径13.41nm，比表面积58.13m2／g，具有较好的光催化活性。接着以钛酸丁酯为前驱体、甲苯为溶剂，采用有机溶剂中的水热结晶法制备高热稳定性的锐钛矿型TiO2。此法制备的TiO2粒子在反应结束时已经转变为锐钛矿型，具有良好的热稳定性和光催化活性。纳米粒子经550℃煅烧后的粒径为15.47nm，分布均匀，比表面积61.41m2／g，即使在650℃煅烧后仍保持单一的锐钛矿晶型。此外，采用改良溶胶-凝胶法研究了不同浓度金属离子(Fe3+、Eu3+、Dy3+、Nd3+、及Tb3+)的掺杂对TiO2光催化性能的影响。结果表明，金属离子掺杂的TiO2粒径减小、比表面积增大、且光催化活性得到了较大的提高，当掺杂浓度为最佳掺杂量时光催化活性最佳。最后，用PL光谱解析了PL光谱强度与掺杂TiO2的光催化活性的关系，发现光催化活性与PL信号的属性有着密切的联系，从而展示了PL光谱在分析纳米TiO2的表面缺陷、氧空穴、光生载流子的分离与复合等方面的重要作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 2的性质'>1.1 TIO₂的性质
• 2的品体性质'>1.1.1 TiO₂的品体性质
• 2的物理化学性质'>1.1.2 TiO₂的物理化学性质
• 1.1.3 量子效应
• 1.1.4 光催化性能
• 1.1.5 超亲水性
• 2的光催化原理'>1.2 TIO₂的光催化原理
• 2的光催化机理'>1.2.1 TiO₂的光催化机理
• 2光催化效率的因素'>1.2.2 影响TiO₂光催化效率的因素
• 2的应用'>1.3 TIO₂的应用
• 1.3.1 抗菌和抗癌的应用
• 1.3.2 环境保护中的应用
• 1.3.3 超亲水性能的应用
• 2光催化还原'>1.3.4 CO₂光催化还原
• 1.3.5 化学合成中的应用
• 2的制备方法'>1.4 TIO₂的制备方法
• 1.4.1 溶胶-凝胶法
• 1.4.2 热水解法
• 1.4.3 水热法
• 1.4.4 微乳胶法
• 1.4.5 化学气相沉积法
• 1.4.6 液相沉淀法
• 2光催化剂的改性'>1.5 TIO₂光催化剂的改性
• 1.5.1 贵金属沉积
• 1.5.2 离子掺杂
• 1.5.3 复合半导体
• 1.5.4 光敏化
• 1.5.5 表面超强酸化
• 1.6 研究的内容及创新点
• 2'>第二章 改良溶胶-凝胶法制备纳米TIO₂
• 2.1 试验原理
• 2.2 试剂与仪器
• 2.3 试验部分
• 2.3.1 主要影响因素及工艺条件选择
• 2的制备'>2.3.2 TiO₂的制备
• 2.3.3 光催化降解甲基橙
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 中心复合试验
• 2.4.2 光催化性能
• 2.4.3 红外光谱（FT-IR）
• 2.4.4 热重及热差（TG/DTG/DSC）
• 2.4.5 BET比表面积
• 2.4.6 X射线衍射（XRD）
• 2.4.7 场发射扫描电镜（FESEM）及X射线能谱（EDS）
• 2.4.8 高分辨透射电镜（HRTEM）和电子衍射（ED）
• 2'>第三章 水热法制备纳米TIO₂
• 3.1 试验原理
• 3.2 试剂与仪器
• 3.3 试验部分
• 3.3.1 主要影响因素及工艺条件选择
• 2的制备'>3.3.2 超细TiO₂的制备
• 2光催化降解甲基橙'>3.3.3 TiO₂光催化降解甲基橙
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 光催化性能
• 3.4.2 红外光谱（FT-IR）
• 3.4.3 热重及热差（TG/DTG/DSC）
• 3.4.4 BET比表面积
• 3.4.5 X射线衍射（XRD）
• 3.4.6 场发射扫描电镜（FESEM）及X射线能谱（EDS）
• 3.4.7 高分辨透射电镜（HRTEM）和电子衍射（ED）
• 2的掺杂改性研究'>第四章 TIO₂的掺杂改性研究
• 4.1 试验原理
• 4.2 试剂与仪器
• 4.3 试验部分
• 4.3.1 主要影响因素及工艺条件选择
• 2的制各'>4.3.2 改性TiO₂的制各
• 2光催化降解甲基橙'>4.3.3 TiO₂光催化降解甲基橙
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 光催化活性
• 4.4.2 光致发光（Photoluminescence,PL）光谱分析
• 4.4.3 热重及热差（TG/DTG/DSC）
• 4.4.4 BET比表面积
• 4.4.5 X射线衍射（XRD）
• 4.4.6 场发射扫描电镜（FESEM）及X射线能谱（EDS）
• 4.4.7 高分辨透射电镜（HRTEM）和电子衍射（ED）
• 第五章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢